Antibiotice antiribosomale (inhibitoare ale sintezei proteinelor*

Antibiotice antiribosomale (inhibitoare ale sintezei proteinelor^*

Sinteza proteinelor implica 3 procese de recunoastere macromoleculara: selectia ARNt initiator; selectia codonului initiator pe ARNm; interactia ARNm si ARNt initiator cu ribosomul neangajat in sinteza proteinelor.

Primul eveniment al initierii este legarea subunitatii 30S de codonul initiator al ARNm si formarea complexului de initiere. La procariote, initierea sintzei proteinelor se face prin legarea N-formil-metionil-ARNt. Dupa legarea in polipeptid, N-f-Met este clivata sub actiunea peptidazelor.

f-Met-ARNt initiator ocupa situsul ribosomal peptidil (P). Al II-lea complex aa-ARNt, ca si toate cele care urmeaza, se leaga la nivelul situsului acceptor (A), unde are loc interactiunea dintre codonul ce specifica aminoacidul urmator si anticodonul din secventa ARNt.

Formarea legaturii peptidice intre gruparea COOH a f-Met-ARNt legat la situsul P si gruparea NH₂ libera a aminoacidului din situsul A, este catalizata de enzima peptidil-transferaza, componenta a subunitatii 50S. Se formeaza un dipeptid legat la situsul A, in timp ce ARNt din situsul P este descarcat de aminoacidul corespunzator (fig. 79). Cresterea polipeptidului cu un aminoacid se face prin clivarea acestuia de la ARNt situat in situsul P si legarea la aminoacidul din situsul A. Reactia de clivare-reunire (adica de formare a legaturii peptidice) consuma energie eliberata prin hidroliza GTP. La sfarsitul reactiei, situsul A poarta ARNt al celui de al II-lea aminoacid, de care este legat un dipeptid (f-Met si al II-lea aminoacid legat - o molecula de peptidil-ARNt).

Situsul P, foarte apropiat de situsul A, accepta complexul ARNt-peptidil (ARNt legat cu lantul polipeptidic in curs de biosinteza). Translocatia ARNt la situsul P este insotita de deplasarea coordonata a ribosomului de-a lungul secventei de ARNm, cu distanta egala cu un codon. Astfel, un alt codon este plasat in situsul A, care leaga un alt aminoacil-ARNt, pe baza relatiei specifice codon-anticodon.

Fig. 79. Situsurile de actiune a antibioticelor inhibitoare ale sintezei proteinelor. Quinolonele inhiba replicarea ADN. Rifampicina inhiba transcrierea. Tetraciclinele inhiba traducerea prin blocarea formarii complexului de initiere. Aminoglicozidele ocupa situsul acceptor al ribosomului si induc erori de citire a ARNm. Cloramfenicolul interactioneaza cu ARNr 23S al subunitatii ribosomale 50S si inhiba formarea legaturii peptidice. Eritromicina si clindamicina se leaga la subunitatea 50S si interfera cu procesul de translocatie a peptidului nascent, de la situsul acceptor (A), la situsul peptidil (P).

Unele antibiotice actioneaza selectiv asupra ribosomilor celulei procariote. Altele (de exemplu, cicloheximida) sunt active fata de ribosomii celulelor eucariote, iar o alta categorie sunt active fata de ambele tipuri de ribosomi. Unele sunt active asupra ribosomilor polisomali (puromicina, cloramfenicolul), iar altele blocheaza numai ribosomii liberi, de initiere a catenei polipeptidice, pentru ca situsurile lor de legare sunt restrictive si nu se pot asocia cu ribosomii polisomali (de exemplu, eritromicina). Unele antibiotice se leaga de subunitatea ribosomala mica, iar altele se asociaza cu subunitatea ribosomala mare.

Antibioticele cu actiune asupra ribosomilor sunt molecule complexe, adeseori avand cicluri si grupari cationice, care favorizeaza interactiunile ionice cu ARNr. Spre deosebire de antibioticele care blocheaza sinteza mureinei la nivelul suprafetei externe a membranei citoplasmatice, cele care actioneaza la nivelul ribosomilor trebuie sa patrunda in citoplasma.

Din punct de vedere chimic, majoritatea sunt aminoglicozide policationice, cu molecule polare. Ele au o regiune hidrofoba mare, care usureaza difuzia prin stratul lipidic al membranei.

Aminoglicozidele (streptomicina si kanamicina) au activitate bactericida dependenta de concentratie. Sunt foarte solubile in apa si insolubile in solventii organici si de aceea au o capacitate limitata de a traversa membranele lipidice. Aminoglicozidele cationice interactioneaza chimic cu antibioticele -lactamice. Rezultatul este deschiderea inelului -lactamic si acilarea grupului amino al aminoglicozidei, cu pierderea reciproca a activitatii antibacteriene.

Aminoglicozidele interactioneaza ionic cu suprafata externa a celulei si sunt transportate in celula. Sursa energiei este gradientul electrochimic al protonilor generati in procesul respiratiei. Cele cationice se leaga de resturile incarcate negativ ale LPS si de proteinele anionice ale membranei externe si inlocuiesc competitiv Mg²⁺ si Ca²⁺ care consolideaza LPS adiacente. Ele modifica conformatia subunitatii 30S a ribosomului polisomal, astfel incat creste rata erorilor de imperechere a codonilor cu anticodonii. Mesajul este tradus gresit si se sintetizeaza proteine nefunctionale. Aminoglicozidele sunt active si fata de ribosomii liberi: asocierea antibioticului cu ribosomul liber blocheaza interactiunea acestuia cu ARNm (se blocheaza astfel formarea complexului de initiere).

Sensibilitatea la Str este dependenta de subunitatea 30 S, pentru ca ribosomii hibrizi formati din subunitati 30 S de la o tulpina Str rezistenta si subunitati 50 S de la o tulpina Str sensibila, sunt Str rezistenti. Sensibilitatea la streptomicina este determinata de proteina S12. Streptomicina face ca ribosomul sa citeasca gresit ARNm si sa insere gresit aminoacidul. Ribosomul normal incorporeaza fenil-alanina, ca raspuns la mesajul sintetic poli-U, dar streptomicina stimuleaza intens incorporarea izoleucinei, a serinei si leucinei ca raspuns la mesajul poli-U.

Schimbarea mutationala a unui singur aminoacid intr-o proteina a subunitatii ribosomale 30S determina rezistenta celulei la streptomicina, dar nu si la antibioticele care contin deoxistreptamina ca grup lateral atasat heterociclului complex, deoarece ele se asociaza cu ambele subunitati ribosomale.

Rezistenta la aminoglicozide este rezultatul modificarii moleculelor sub actiunea enzimelor bacteriilor Gram pozitive si Gram negative. Enzimele sunt codificate de plasmide sau apartin unor transpozoni:

fosforilarea dependenta de ATP, a unui grup OH, sub actiunea unei fosfotransferaze;

adenilarea dependenta de ATP, sub actiunea unei nucleotidil-transferaze;

acetilarea dependenta de CoA, a unui grup amino, sub actiunea unei acetil-transferaze.

Aminoglicozidele modificate de enzime se leaga cu afinitate scazuta de ribosomi si apare rezistenta chiar la concentratii mari de antibiotice.

Macrolidele (eritromicina, lincomicina si clindamicina) penetreaza greu in celula Gram negativa. Se asociaza cu ribosomii liberi, dar nu cu ribosomii polisomali. Se leaga cu subunitatea 50 S si interfera cu procesul de translocatie a polipeptidului nascent, producand disocierea peptidil-ARNt de ribosom. Desi unele antibiotice care interactioneaza cu ribosomii liberi blocheaza complexul de initiere, eritromicina stopeaza sinteza proteica numai dupa ce s-a sintetizat un polipeptid scurt.

Unele antibiotice policiclice mari se leaga cu subunitatea mare a ribosomului si blocheaza legarea factorilor de elongatie EFTu (Elongation Factor Thermo unstable) si EFG (Elongation Factor G implicat in translocatia peptidului nascent).

Acidul fusidic este bacteriostatic, dar la concentratii mari poate fi bactericid. Are o structura moleculara de tip steroidic. Spre deosebire de alti inhibitori ai sintezei proteice, nu se leaga direct de ribosomi, ci formeaza un complex stabil cu guanozin-trifosfatul si cu factorul de elongatie G. Sinteza proteica bacteriana depinde de translocatia peptidil-ARNt de la situsul acceptor ribosomal, la situsul peptidil. Translocatia necesita factorul G de alungire proteica si hidroliza GTP. Acidul fusidic are capacitatea de a stabiliza complexul ribosom-factorul G de alungire - GTP - fosfat anorganic, inhiband hidroliza GTP si blocand alungirea catenei polipeptidice nascente.

Puromicina a fost izolata din filtratele de Streptomyces alboniger. Antibioticul este un aminoglicozid substituit, alcatuit din 3 componente :

6-dimetil-aminopurina

3-deoxi-3-amino-D-riboza

p-metoxi-L-fenilalanina.

Legatura glicozidica, in configuratie b ca si in nucleozidele naturale, este clivata de acizi tari (HCl 1N, la 100^o, timp de 10 min), conditii in care legatura amidica a aminoacizilor este stabila. Comparativ cu multe alte antibiotice, puromicina are un spectru deosebit de larg al activitatii, ce consta in inhibitia cresterii. Puromicina este un inhibitor al sintezei proteinelor si inhiba cresterea tuturor organismelor : bacterii, plante, protozoare, animale. Principalul mecanism de actiune al puromicinei, ca agent inhibitor al sintezei proteinelor a fost definit ca rezultat al investigatiei mecanismului biosintezei proteinelor.

Datorita analogiei structurale cu aminoacil-ARNt, un intermediar al sintezei proteinelor, puromicina produce terminarea prematura a cresterii catenei polipeptidice. Puromicina elibereaza polipeptidul in crestere din complexul ribosom-ARNm, producand o rupere a legaturii ester intre gruparea COOH a polipeptidului si gruparea OH a adenozinei din ARNt. Clivarea se datoreaza faptului ca peptidul este transferat de la ARNt la puromicina.

Datorita stoparii sintezei proteinelor, efectul puromicinei consta in oprirea cresterii celulei. Efectul este predominant bacteriostatic. Sinteza ADN si ARN continua pentru un timp la o rata normala sau aproape normala, dar sinteza proteinelor este inhibata imediat. {n celulele mamaliene, inhibitia sintezei proteinelor este reversata rapid dupa indepartarea puromicinei.

Deoarece puromicina este un analog al adenozinei, este posibil ca regiunea aminonucleozidica a moleculei sa interfere direct cu metabolismul nucleotidelor. Puromicina are toxicitate crescuta asupra organismelor superioare: nefrotoxicitate, stare de rau general etc.

Bacteriile Gram pozitive sunt mai sensibile decat cele Gram negative. Diferentele de sensibilitate se pot datora inglobarii reduse a puromicinei. Ionii de Mg²⁺ maresc sensibilitatea la puromicina.

Nu se foloseste in terapia antiinfectioasa, dar este utila in studiul experimental al mecanismului sintezei proteinelor. Ea interfera cu sinteza proteica, producand eliberarea prematura a polipeptidului nascent din asociatia sa cu ribosomul.

Puromicina

Cloramfenicolul se leaga reversibil cu subunitatea ribosomala 50 S si blocheaza alungirea peptidului nascent pe ribosom. Ribosomii 80 S nu sunt afectati, dar probabil ribosomii 70 S mitocondriali sunt sensibili la cloramfenicol.

Rezistenta se datoreaza, in general, inactivarii antibioticului catalizata de cloramfenicol-acetil-transferaza (CAT), efluxului activ sau permeabilitatii scazute.